Analisi correlazionale tra coagulazione su biomateriale e feature di Haralick per la prevenzione del rischio di trombosi venosa catetere-correlata

The aim of this thesis is to investigate the relationship between the textural characteristics of polymer surfaces, observed using scanning electron microscopy (SEM), and the main blood coagulation predictors involved in thrombus formation in catheters. The research arises from the need to develop quantitative and objective analytical tools to accurately describe the surface properties of materials. The main focus was on studying the correlations between Haralick features and three key biological parameters: platelets, total proteins, and fibrinogen, the latter being central to coagulation processes and crucial in adhesion and clot formation on polymer surfaces. Catheter occlusion represents one of the most common clinical complications, thus limiting the effectiveness and longevity of these devices. The formation of thrombi within catheters obstructs blood flow and increases the risk of adverse events such as thrombosis and infections. This problem is closely related to the biocompatibility of the materials used in their design, as unwanted interactions between polymer surfaces and biological components can promote the adhesion of plasma proteins and platelets, triggering the coagulation cascade. To address this challenge, it is crucial to develop advanced methodologies for characterizing polymer surfaces and predicting how they will interact with the biological environment. Computational analysis of surface textures through Haralick features provides an innovative approach to quantifying the morphological properties of materials. Based on gray-level co-occurrence matrices (GLCM), this technique allows for the extraction of detailed information about the structural characteristics of surfaces, potentially correlated with their thrombogenicity. Using SEM images, the textures will be processed to analyze their correlations with biological parameters such as platelet adhesion, plasma proteins, and fibrinogen.The study will focus on two innovative polymers: poly(benzimidazole) (PBI) and poly(butylene furandicarboxylate) (PBF), chosen for their mechanical properties and biocompatibility potential. The goal is twofold: to verify the validity of textural features as predictive indicators of biological response and to provide a quantitative basis for optimizing polymer surfaces in terms of biocompatibility and resistance to occlusion. Fibrinogen emerges as a key biological marker, showing significant correlations with several Haralick features. This suggests that the surface texture of biomaterials may directly influence the adhesion of plasma proteins and thrombus formation. Therefore, analyzing Haralick features could allow for the classification of materials based on their thrombogenic tendency, contributing to the selection of safer surfaces for medical devices.The work fits within a multidisciplinary perspective that integrates image analysis, numerical processing, and bioengineering knowledge, proposing an experimental model useful for the design of safer and more efficient medical materials. The proposed methodology serves as a complementary approach to traditional biological techniques, with the potential to support the development of functionalized surfaces for clinical applications. The integration of computational methods with traditional biological investigations could lead to new strategies for medical device design, enhancing patient safety and reducing the risk of thrombotic complications.

Lo scopo di questa tesi è indagare il legame tra le caratteristiche texturali delle superfici polimeriche, osservate mediante microscopia elettronica a scansione (SEM), e i principali predittori ematici della coagulazione coinvolti nella formazione di trombi nei cateteri. La ricerca nasce dall’esigenza di sviluppare strumenti di analisi quantitativi e oggettivi per descrivere con accuratezza le proprietà superficiali dei materiali. L’interesse principale è stato rivolto alle correlazioni tra le feature di Haralick e tre parametri biologici chiave: piastrine, proteine totali e fibrinogeno, quest'ultimo centrale nei fenomeni di coagulazione e determinante nei processi di adesione e formazione di coaguli su superfici polimeriche. L'ostruzione dei cateteri medici rappresenta una delle complicazioni cliniche più comuni, limitando così l'efficacia e la durata di questi dispositivi. La formazione di trombi all'interno dei cateteri ostacola il flusso sanguigno e aumenta il rischio di eventi avversi, come trombosi e infezioni. Questo problema è strettamente legato alla biocompatibilità dei materiali utilizzati nella loro progettazione, in quanto interazioni indesiderate tra le superfici polimeriche e le componenti biologiche possono favorire l'adesione di proteine plasmatiche e piastrine, innescando la cascata coagulativa. Per affrontare questa sfida, è fondamentale sviluppare metodologie avanzate per caratterizzare le superfici polimeriche e prevedere come interagiranno con l'ambiente biologico. L'analisi computazionale delle texture superficiali tramite le feature di Haralick offre un approccio innovativo per quantificare le proprietà morfologiche dei materiali. Basandosi sulle matrici di co-occorrenza dei livelli di grigio (GLCM), questa tecnica permette di estrarre informazioni dettagliate sulle caratteristiche strutturali delle superfici, potenzialmente correlate alla loro trombogenicità. Utilizzando immagini SEM, le texture verranno elaborate per analizzarne le correlazioni con parametri biologici come l'adesione delle piastrine, le proteine plasmatiche e il fibrinogeno.Lo studio si concentrerà su due polimeri innovativi: il poli(benzimidazolo) (PBI) e il poli(butilene furandicarbossilato) (PBF), scelti per le loro proprietà meccaniche e il potenziale di biocompatibilità. L'obiettivo è duplice: verificare la validità delle feature texturali come indicatori predittivi della risposta biologica e fornire una base quantitativa per l'ottimizzazione delle superfici polimeriche in termini di biocompatibilità e resistenza all'ostruzione. Il fibrinogeno emerge come marcatore biologico prioritario, poiché mostra correlazioni significative con numerose feature di Haralick. Questo suggerisce che la texture superficiale dei biomateriali possa influenzare direttamente l'adesione delle proteine plasmatiche e la formazione dei trombi. Pertanto, l'analisi delle feature di Haralick potrebbe consentire una classificazione dei materiali in base alla loro tendenza trombogenica, contribuendo alla selezione di superfici più sicure per dispositivi medici. Il lavoro si inserisce in una prospettiva multidisciplinare che integra analisi d'immagine, elaborazione numerica e conoscenze di bioingegneria, proponendo un modello sperimentale utile alla progettazione di materiali medicali più sicuri ed efficienti. La metodologia proposta si configura come un approccio complementare alle tecniche biologiche tradizionali, con il potenziale di supportare lo sviluppo di superfici funzionalizzate per applicazioni cliniche. L'integrazione di metodi computazionali con le indagini biologiche tradizionali potrebbe portare a nuove strategie per la progettazione di dispositivi medici, migliorando la sicurezza dei pazienti e riducendo il rischio di complicanze trombotiche.